固态去耦合器与钳位式排流器的排流效果对比

韩 非

(深圳市燃气集团股份有限公司,深圳 518049)



固态去耦合器与钳位式排流器的排流效果对比

韩 非

(深圳市燃气集团股份有限公司,深圳 518049)

固态去耦合器与钳位式排流器是目前在埋地钢质管道交流干扰排流实践中广泛使用的产品。借助某天然气管道的交流干扰排流应用，对两种排流产品的性能进行了对比性研究。固态去耦合器在排流效果以及对阴极保护的影响方面有较大的技术优势。

固态去耦合器；钳位式排流器；交流干扰；阴极保护

近年来我国经济的快速发展使原油、天然气等化石能源的消费增加，极大地促进了国内油气管道行业的繁荣。随着电力、铁路、管道的大规模建设，埋地钢质管道遭受到越来越多的杂散电流干扰。而交流干扰问题会严重威胁管道及其相关设备的安全以及工作人员的人身安全。

当管道与电力输送线路(主要是交流高压输电线路和交流电气化铁路)并行或者交叉时，电力线可以通过电容耦合、电阻耦合以及电感耦合三种方式对管道造成交流干扰。如果不考虑输电线路铁塔的影响，对埋地钢质管道来说造成交流干扰的方式主要是电感耦合。在高压输电线路或交流电气化铁路附近由于电磁感应会产生一个交变的电磁场，管道处于该交变的电磁场中时会在管道上感应出交流电压，这种耦合方式称之为电感耦合，如图1所示。

目前国际上对于交流干扰的评价标准各不相同[1-2]。我国实行GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》[3]。按该标准，当管道上的交流干扰电压不高于4 V时，可不采取交流干扰防护措施；高于4 V时，应对交流电流密度进行评估，根据交流电流密度进行判定。

图1　管道受到交流输电线的电感耦合的作用原理Fig. 1　Mechanism of induction interference by AC transmission line above pipeline

当确认埋地钢质管道受到严重的交流干扰之后，最迫切需要解决的问题就是缓解交流干扰。目前，国内外常用的缓解交流干扰措施为增大管道与干扰源之间距离以及安装排流地床等。增大管道与干扰源之间的距离，能有效降低管道的感应电压，但是受实际情况的制约，该缓解措施的实践性不强。交流排流装置和排流地床结合的方法由于具有良好的缓解效果，在国内外得到广泛的使用[4]。

排流地床方法是在埋地管道附近水平或垂直埋设接地材料，如裸铜导线、锌带、镀锌扁钢或者锌阳极等，并通过固态去耦合器或者钳位式排流器等排流装置与管道连接。当管道受到交流干扰产生交流电动势时，排流地床作为一个低电阻接地通道导通交流电流，降低管道的感应电压。

1　两种排流装置的原理

固态去耦合器接地方法参照NACE SP0177-2014标准，在国外减缓交流干扰工程中应用普遍。近年来从北美引入到国内管道界后，该方法在国内大型长输管道工程中大量应用[5-6]。它具有“阻直通交”的特性，对交流电流提供低阻抗通道，而在一定电压范围内阻止直流电流的导通。此外，固态去耦合器还具有浪涌、雷击保护模块，可防止管道及附属设备被瞬态大电流损坏。

图2为典型的固态去耦合器装置内部电器件构造。该装置中，电解电容可以导通稳态交流电流；晶闸管导通故障电流并起到控制直流导通阈的作用；浪涌保护器可以导通雷电冲击电流。固态去耦合器的直流导通阈值通常为-2/+2 V或者-3/+1 V，这个门槛值是由晶闸管来控制的。当固态去耦合器两个接线端之间的电压差达到阈值电压时，设备自动切换到直流短路模式；当两个接线端之间的电压低于阈值电压时，该设备对直流电流的阻抗极大，直流电流无法导通。

图2　固态去耦合器内部电路示意图Fig. 2　Schematic diagram of internal circuit in solid state decoupler

钳位式排流器由三只硅二极管组成，分为正臂和负臂两部分，如图3所示。负臂串联两只二极管Z2和Z3，正臂串入一只二极管Z1，正负臂上二极管互为反向安装。当干扰电压正半波时Z1导通，负半波时Z2、Z3导通。它们的正向压降为0.7 V，负向压降为-1.4 V。该装置在缓解交流干扰的同时利用干扰电压起到对阴极保护作用。

图3　钳位式排流器结构及原理Fig. 3　Structure and diagram of clamping diode

固态去耦合器与钳位式排流器的排流原理是不同的。固态去耦合器利用电容元件导通稳态交流干扰电流，同时具备故障电流与雷击浪涌的防护能力，还具有精确的直流导通阈值。而钳位式排流器采用双向二极管导通交流干扰电流，同时利用双向二极管数量不同，对管道提供额外的阴极保护电流。

钳位式排流器的性能取决于二极管性能。在以往的交流干扰排流标准中对二极管提出的要求是“允许电流应大于20～30 A”[7]。固态去耦合器产品对于性能指标有更为明确的要求。固态去耦合器的主要指标参数包括额定隔离电压、稳态交流电流、故障电流等，常用的固态去耦合器的参数要求见表1。

表1　常用固态去耦合器参数

2　两种方法交流干扰排流效果对比

图4　交流输电线路与管道相对关系Fig. 4　AC transmission line vs pipeline

某天然气管道与高压输电线路有较长距离的并行、交叉，全线共安装12处交流干扰排流地床，见图4。其中7处(S1～S7)使用固态去耦合器连接管道与地床，5处(C1～C5)使用钳位式排流器连接管道与地床。固态去耦合器所配套安装的地床为与管道并行敷设的裸铜线长为300 m,钳位式排流器所配套安装的地床为与管道垂直敷设的钢管。在排流设施安装完毕后，对管道的排流缓解效果进行了检测。主要检测内容包括管道的交流电压、交流电流密度以及管道的通电电位和断电电位等。采用铜缆作交流干扰缓解的接地极是早期的作法，由于固态去耦合器的故障状态是短路，可能造成管道发生电偶腐蚀，现已不推荐使用。表2中统计了管道的交流电压、交流电流密度以及通断电电位数据。从管道的交流电压来看，该段管道受到的交流干扰本身不是特别严重，在排流地床断开时最高的交流电压是28.8 V。图5为通过交流电流密度来演示排流的效果。由图5可见,在接通排流地床后，所有监测点的交流电流密度都明显下降；但在C3～C5处，交流电流密度尚大于30 A/m2，需要采取进一步的排流措施。

表2　管道交流干扰排流效果检测

图5　排流前后交流电流密度的变化Fig. 5　AC current density variation before and after mitigation

图6和图7为排流装置对管道通电电位和断电电位的影响。由通电电位和断电电位在排流地床接通、断开时的变化可见，该型号的固态去耦合器对管道的电位影响几乎可以忽略不计，而钳位式排流器对通电、断电电位都有很大影响。在接通钳位式排流器后，管道的断电电位变化最大达到56 mV。钳位式排流器对管道阴极保护电位的影响，很大程度上是由其内部构造决定的。其正臂和负臂上二极管的数量不同，造成干扰交流电流的“整流”效应，对管道的阴极保护造成影响。

图6　排流前后管道通电电位的变化Fig. 6　Pipeline on-potential variation before and after mitigation

图7　排流前后管道断电电位的变化情况Fig. 7　Pipeline off-potential variation before and after mitigation

此外，从表3中排流器两端的交流电压数据可以看出，钳位式排流器两端的交流电压远远大于固态去耦合器两端的，这意味着其交流阻抗很高，这对交流干扰的排流效果有负面影响。阴极保护电流通过排流器导通后，钳位式排流器的直流漏流量最小达到-324.8 mA，固态去耦合器(采用限流能力精确的晶闸管控制直流导通阈值)的直流漏流量最小值除个别位置的直流漏流量达到-49.4 mA外，基本都在个位数，这与该产品说明书中标示的1 mA直流漏流量是不符的。

表3　交流电流排流量及直流漏流量测试结果

3　结论

(1) 现场测试数据表明固态去耦合器和钳位式排流器都可以明显的缓解管道受到的交流干扰。

(2) 交流阻抗在排流器的选型中有重要的作用，应尽量选取交流阻抗较低的排流器产品。固态去耦合器的交流阻抗较低，而钳位式排流器的交流阻抗较高。

(3) 固态去耦合器在排流效果以及对阴极保护的影响方面有较大的技术优势。

[1]NACE SP0177-2014Mitigation of alternating current and lightning effects on metallic structures and corrosion control systems[S].

[2]DD CEN/TS 15280-2006Evaluation of a. c. corrosion likelihood of buried pipelines-application to cathodically protected pipelines[S].

[3]GB/T 50698-2011埋地钢质管道交流干扰防护技术标准[S].

[4]胡士信，路民旭. 管道交流腐蚀的新观点[J]. 腐蚀与防护,2010,31(6):419-424.

[5]张平，童开平，屠海波，等. 陕京三线交流干扰防护新技术应用与优化[J]. 腐蚀与防护,2012,33(8):724-727.

[6]滕延平，李熙，蔡培培. 去耦合器排流技术在管道交流干扰减缓中的应用[J]. 管道技术与设备,2011(5):27-29.

[7]SY-T0032-2000埋地钢质管道交流排流保护技术规范[S].

Comparison of Effectiveness of AC Interference Mitigation between Solid State Decoupler and Clamping Diode

HAN Fei

(Shenzhen Gas Co., Ltd., Shenzhen 518049, China)

Solid state decoupler and clamping diode are widely used in AC interference mitigation of buried steel pipelines. Based on the AC interference mitigation of a natural gas pipeline, the performance of two kinds of device was evaluated comparatively. The performance of solid state decoupler was better than that of clamping diode in respects of the effectiveness of AC mitigation and the effect on cathodic protection.

solid state decoupler; clamping diode; AC interference; cathodic protection

2015-08-18

韩 非(1981-)，工程师，本科，从事燃气管道运行管理工作，13632902155，jianainana@sina.com

10.11973/fsyfh-201512017

TQ174.41

B

1005-748X(2015)12-1186-04